[發(fā)明專利]一種高速鐵路長(zhǎng)大隧道微氣壓波減緩方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011227680.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN112282786B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉峰;邸娟;張揚(yáng)泰;雷海洋;劉釗;楊文喆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): E21D9/14
• 分類號(hào): E21D9/14
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明公開了一種高速鐵路長(zhǎng)大隧道微氣壓波減緩方法：沿隧道縱向，在隧道的側(cè)壁和/或者底面布置若干氣室，直至隧道出口。優(yōu)選的，各個(gè)氣室位于隧道不同的橫截段內(nèi)，所述氣室位于該段隧道側(cè)面或者底面的任意位置。進(jìn)一步的，各個(gè)氣室均位于各自橫截段隧道內(nèi)的相應(yīng)位置后構(gòu)成氣室陣列，所述氣室陣列沿隧道的整個(gè)縱向長(zhǎng)度布置，或者布置于距離隧道出口3km以內(nèi)的上游隧道內(nèi)。所述氣室陣列內(nèi)的各個(gè)氣室形狀相同，均由頸部和腔室組成。與作用原理相似的碎石道砟相比，本發(fā)明所采用的氣室陣列結(jié)構(gòu)更易于進(jìn)行科學(xué)的分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碎石道砟所存在的飛沙走石風(fēng)險(xiǎn)，更適合應(yīng)用于高速鐵路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鐵路隧道技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于高速鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)部的微氣壓波減緩方法。

背景技術(shù)

我國(guó)高速鐵路飛速發(fā)展，營(yíng)業(yè)里程已突破3萬公里，超過世界其它國(guó)家總和。由于地域廣闊，山巒、丘陵眾多，高速鐵路線路中包含大量隧道工程，如合武線、武廣線、石太線，其隧線比分別達(dá)到18%、20%、39%，西南及沿海地區(qū)一些線路隧線比更高達(dá)50%以上。當(dāng)列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，洞口空氣受車頭擠壓會(huì)產(chǎn)生初始?jí)嚎s波，壓縮波以聲速在隧道內(nèi)向前傳播，當(dāng)其傳播到隧道出口時(shí)大部分以膨脹波形式反射回來，小部分以脈沖波形式從隧道出口向外輻射，這種脈沖波即為微氣壓波。微氣壓波能量通常集中在次聲波區(qū)，與人體器官及建筑物共振頻率接近，容易造成建筑物損害和人員傷害；當(dāng)微氣壓波能量較大時(shí)，洞口還會(huì)伴隨音爆現(xiàn)象，帶來嚴(yán)重的噪聲污染。

微氣壓波由隧道內(nèi)壓縮波演變而來，其壓力幅值主要取決于壓縮波傳播至隧道出口時(shí)的最大梯度（也稱最大壓力變化率）。而壓縮波傳播時(shí)具有非線性特征，存在波前縮短的趨勢(shì)。當(dāng)隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，壓縮波會(huì)激化為沖擊波，致使隧道出口微氣壓波幅值提至數(shù)倍以上。2011年3月，在京滬高速鐵路西渴馬1號(hào)隧道（無砟、有效凈空面積100m²、隧道長(zhǎng)度2812m、洞口布置斜切式緩沖結(jié)構(gòu)）空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，8輛編組的CRH2實(shí)驗(yàn)列車分別以330km/h和350km/h通過隧道時(shí)，洞口外20m處所測(cè)微氣壓波幅值分別達(dá)到63.7Pa和85.6Pa，均超過相關(guān)限值（50Pa）。在2009年武廣客運(yùn)專線空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)中，大瑤山1號(hào)隧道（無砟、有效凈空面積100m²、隧道長(zhǎng)度10081m、進(jìn)口為喇叭口斜切式、出口為明洞式）洞外20m處所測(cè)微氣壓波幅值甚至達(dá)到180Pa，超過限值3倍以上，幾公里外都可以聽到巨大的微氣壓波音爆聲，給周圍環(huán)境帶來極大的影響。

目前用于抑制高速鐵路微氣壓波的方法大多存在以下局限性：

1、增加車頭鼻尖長(zhǎng)度。缺點(diǎn)：由于隧道洞口的流動(dòng)具有強(qiáng)烈的三維效應(yīng)，若車鼻延伸長(zhǎng)度短于一個(gè)隧道直徑，其對(duì)微氣壓波的改善作用通常較小，但過長(zhǎng)的列車鼻尖顯然是不切實(shí)際的。

2、在列車即將進(jìn)入隧道時(shí)降低車速。缺點(diǎn)：實(shí)際操作性較差，并且由于增加了旅途時(shí)間而降低了對(duì)乘客的吸引力，因此通常會(huì)受到鐵路運(yùn)營(yíng)商的排斥。

3、隧道入口安裝緩沖結(jié)構(gòu)。局限：緩沖結(jié)構(gòu)所需長(zhǎng)度通常隨列車速度和車隧阻塞比的增加而增大，除了會(huì)給視覺上帶來不適外，還會(huì)極大增加建設(shè)和土地征用費(fèi)用。若隧道入口處于人口稠密地區(qū)或特殊地形時(shí)，安裝較長(zhǎng)緩沖結(jié)構(gòu)則變得幾乎難以實(shí)現(xiàn)。更重要的是，洞口緩沖結(jié)構(gòu)無法直接對(duì)壓縮波演化過程發(fā)生作用，即使洞口產(chǎn)生的初始波前較為平緩，但經(jīng)隧道內(nèi)長(zhǎng)距離的激化后仍有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的微氣壓波。

4、在隧道出口的上游設(shè)置一個(gè)體積較大的膨脹室。這種腔室的行為方式類似于車輛排氣系統(tǒng)中的消音器/消聲器。然而，提供這樣的大型腔室往往是非常昂貴的，而且除非它們完全在地下，否則在視覺上可能會(huì)令人不快。

5、沿隧道縱向設(shè)置吸聲材或赫姆霍茲共振器陣列。缺點(diǎn)：這些結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)顯著的欠阻尼特征，對(duì)于改善隧道內(nèi)的高頻振動(dòng)通常具有較好的效果。但是，理想的壓縮波波前頻率通常較低，單純依靠吸聲材或者常規(guī)赫姆霍茲共振器無法使波前梯度降低到可接受的范圍內(nèi)。